第9章 进程地址空间

1 规则简介

进程地址空间：允许进程使用的全部线性地址，也叫进程的线性区

 

 

2 内核和用户进程地址空间的区别

• 内核的地址空间是共享的，所有内核线程使用一个地址空间；每个用户进程的地址空间是独立的
• 内核申请动态内存，会立刻进行内存分配；用户进程申请内存会尽可能推迟分配内存
• 因此，内核要随时准备捕获用户态进程的寻址异常

 

 

3 进程获取新线性区的情况

• 新建一个进程去执行命令，会分配一个全新的地址空间
• 当前的进程装入完全不同的程序（类似新建进程，只不过使用旧的进程标识符）
• 进程对文件进行内存映射，会把文件内容映射到进程的线性区
• 进程的线性区（堆或者栈）用完，可能会进行线性区扩展
• 进程决定使用IPC共享线性区和其他进程共享数据时，会分配新的线性区来共享

 

 

4 内存描述符

与进程地址空间有关的全部信息都放在内存描述符mm_struct中，也就是进程描述符中的mm字段；

和其他常用结构体一样，mm_struct也存放在slab分配器的高速缓存中；

内核线程永远不会访问低于TASK_SIZE（也叫PAGE_OFFSET，3GB）的地址，一般访问3GB-4GB之间的地址。

每个进程有两个进程描述符：

• mm表示进程所拥有的内存描述符
• active_mm表示进程运行时所使用的内存描述符

对于内核线程来说，不用任何进程描述符（所有内核线程共用一个内存描述符），因此mm为NULL；

对于内核线程来说，active_mm字段被初始化为前一个运行的内核进程的active_mm。

 

 

5 线性区

5.1 线性区数据结构

进程所拥有的线性区从来不重叠；

内核尽力把新分配的线性区与紧邻的线性区合并——线性区表示物理地址+offset，如果可以合并，就会减少内存描述符使用；

因此，删除某个线性区，可能反而会导致新增内存描述符。

进程所拥有的线性区用链表连接在一起，且按照地址升序排列；

默认情况下，一个进程可以拥有最多65536个线性区；

内核频繁查找线性区，为了提高效率，内核把内存描述符存放在红黑树中。

 

5.2 线性区和页

线性区和页关系紧密，是线性地址的两种表述形式，比如我们把0-4095之间的线性区成为第0页；

页大小为4KB，线性区包含多个页，大小是4KB的倍数；

页的标志用vm_flags表示，常见的有：VM_READ、VM_WRITE、VM_SHARED等；

线性区的权限和页的权限并不完全一致，比如“写时复制”技术中，线性区的地址都是可以访问的，但是对该页的访问还是会产生缺页（框）异常：

内核把两个进程的页放在同一个页框中，把页框设置为只读，导致访问线性区的时候产生缺页异常。

 

 

6 分配释放线性地址空间

do_mmap()

• 为当前进程创建并初始化一个新的线性区
• 接收参数：file + offset（如果需要，用于文件映射）、addr（从何处开始查找空闲区间）、len（线性区长度）、prot（线性区访问权限）、flag（其他标志）
• 新的线性区可以与该进程已有的其他相邻线性区合并

do_unmap()

• 从当前进程的地址空间删除一个线性地址空间
• 接收参数：进程内存描述符mm、地址区间的起始地址start、长度len
• 要删除的区间并不总是对应一个线性区，或许是线性区的一部分，也可能横跨多个线性区

 

 

7 缺页异常处理程序

7.1 do_page_fault()简介

缺页指的是进程访问某个线性地址，页表会找线性地址对应的页框，结果没有找到。

缺页异常处理程序是一个中断处理程序：do_page_fault()；

缺页异常处理程序必须可以区分编程错误引起的异常，还是由“属于进程地址空间但是尚未分配页框”引起的异常；

do_page_fault()的输入参数中有一个3位的error_code，当异常发生时由控制单元压入栈中：

• bit0：0：访问不存在的页；1：无效的访问权限
• bit1：0：异常由读或执行访问引起；1：异常由写访问引起
• bit2：0：异常发生在处理器处于内核态时；1：异常发生在处理器处于用户态时；

 

7.2 do_page_fault()步骤

① 读取引起缺页的线性地址

② 检查线性地址是否属于第4个GB（3GB-4GB），如果是则表明线性地址属于内核地址空间，执行vmalloc_fault()，处理两种情况：内核态访问非连续内存区 或 地址错误

③ 检查当前进程所拥有的线性地址空间是否包含引起缺页的地址空间 —— 出错才会检查线性地址是否属于进程地址空间！

 

7.3 处理地址空间以外的错误地址

异常发生在用户态进程：发送一个SIGSEGV信号给current进程

异常发生在内核态进程：

• 该线性地址是系统调用的参数传递给内核的：向当前进程发送SIGSEGV信号，并终止系统调用程序
• 内核缺陷引起：CPU会dump CPU寄存器和内核态堆栈，并杀死当前进程，这就是内核漏洞错误（Kernel opps）

 

7.4 处理地址空间内的错误地址

• 请求调页：被访问的地址（页）对应的页框不存在，也就是说，这个页还没有存放在实际的页框中
• 写时复制：被访问的页对应的页框存在，但是页框被标记为只读并且属于多个进程共享，那么内核会分配一个新的页框，把旧页框的数据拷贝到新页框中

 

7.5 写时复制

来源：

内核通过fork()系统调用创建进程时，子进程要继承父进程的地址空间，涉及到地址空间页的复制；

许多子进程装入新的程序开始执行，会完全丢弃继承到的地址空间。

实现：

父进程和子进程共享页框——共享页框都是写保护的；

无论是父进程还是子进程想要写共享页框时，会产生异常，内核就是把页复制到新的页框并标记为可写，原来的页只有唯一属主，也标记为可写的。

 

 

8 堆的管理

堆属于进程拥有的特殊的线性区，可以满足进程的动态内存的请求；

堆的起始地址和结束地址分别为start_brk和brk字段；

堆可以进程扩大和缩小，使用brk(addr)可以直接修改堆的结束地址current->mm->brk，以调整堆的大小；

扩大堆实际调用do_mmap()，缩小堆实际调用do_munmap()；

堆不能与进程代码所在的线性区重叠：mm->brk > mm->end_code。